乙烯裝置設備結冰、結露保冷失效原因淺析

曹 宇，陳祖武

(茂名石化，廣東 茂名 525000)

中國石油化工股份有限公司茂名分公司1000 kt/a乙烯生產裝置有兩套裝置，分別是1#裂解和2#裂解。1#裂解裝置采用美國Lummus工藝，2#裂解裝置采用SW工藝。兩套裝置的壓分區的最低溫度為-169.5 ℃，而且很大一部分設備管線在低溫下運行。因為裝置的特殊性，要求裝置五年一次大修，因此更換或是改造保冷材料大部分都是在裝置停工大修期間進行。那么一些施工安裝不規范、設計不合理或是其它原因造成保冷材料受損導致保冷失效失效，進而難以保證設備防腐及冷損失量的要求。為此，必須合理的設計保冷結構，以達到既安全又經濟的低溫保冷目的。而在保冷工程中，設計是根本，選才是關鍵，施工和管理是保證。

裝置低溫管線，特別是深冷管線及設備表面在常溫天氣下多出現結露，結冰的情況發生。一方面會導致管線和設備周圍腐蝕加快；另一方面使得周圍多處生長青苔和積水，不利于操作環境。究其原因，導致管線和設備本體多處結冰、結露的原因有多種情況，只有從根本上解決產生結冰、結露的原因，才能防止以上情況發生，本文對相關原因做一簡單分析。

1 設備結冰、結露的原因分析

設備結冰結露的最根本的原因是保冷失效，導致低溫管線或設備表面冷損失量加大，水氣遇到低溫結冰、結露。長時間此種情況會加快保冷失效，最終水汽侵入保冷材料內部，再結合空氣中的氧氣，設備及管線表面發生氧化反應，從而腐蝕設備及管線。

結合乙烯裝置情況，引起保冷失效的原因有很多種，主要有以下幾個方面：

(1)設備保冷設計不合理。設計的保冷厚度或是結構不能滿足絕熱要求，設備及管線表面冷損失量過大。

(2)保冷選材不合理。保冷材料選用較低等級，絕熱保冷效果差，冷損失量大。

(3)保冷施工安裝不合理。

(4)日常管理不合理。

(5)自然因素導致保冷損壞失效。

1.1 保冷設計問題

1.1.1 保冷結構設計不合理

現有的保冷結構最普遍的就是保冷層、防潮層、保護層三層，三者缺一不可。當然設備在安裝保冷結構之前還要給設備表面涂刷防銹層，防止設備在保冷失效的情況下腐蝕損壞[1]。現階段保冷材料選取最多的就是泡沫玻璃和聚氨酯，兩者各有各的特點。其中泡沫玻璃的阻燃性最好，又是閉孔結構，不吸附空氣中的游離可燃物和泄漏可燃物，不足的是價格過高。而聚氨酯的導熱系數較小，一般在0.02 W/(m·K)左右，和空氣的導熱系數接近，但其阻燃性不好。綜合考慮經濟效益，再結合應用實踐，在-30 ℃以上的低溫設備及管道采用硬質聚氨酯，在-30 ℃一下的低溫設備及管道實施復合保冷，即選用泡沫玻璃作為保冷層的內層，硬質聚氨酯作為保冷層的外層的復合組合[2]。這樣使得保冷效果更加穩定可靠，同時經濟效益得到保障。

圖1為管線泡沫玻璃保冷基本的結構示意圖。

圖1 管線泡沫玻璃保冷基本的結構示意圖Fig.1 The basic structure diagram of the foam glass insulation for pipeline

根據地區的不同，保冷的結構及材質要求也不盡相同：對于干旱炎熱的地區，空氣濕度較低，所以保冷失效的進程較慢；茂名地處西南海邊，周年濕度很大，常年空氣濕度在80%左右，最高可以達到95%左右，因此在保冷層和保護層之間的防潮層還要加裝隔氣層。因為在保冷層中任意點的溫度都是由表至里遞減的，低溫層中的空氣的體積縮小，空氣中水蒸氣的分壓力隨溫度降低而降低，在保冷層內外產生一個水蒸氣分壓力差值。如果保冷材料透氣或是失效，又沒有隔氣層，大氣中的水蒸氣就會進入保冷層，并且向水蒸氣分壓更低的內層滲透，直到設備表面。水蒸氣在低溫下，逐漸冷卻，并進一步結冰結露。當水變成冰后，體積變大，保冷層就會膨脹破壞使保冷失效[3]。

茂名乙烯的1#裂解裝置是1996年8月建成投產的，雖然經歷過幾次停車大修，但裝置里的保冷結構仍有一部分采用最基本的三層結構，保冷絕熱效果差。而2#裂解裝置是2006年9月投產的，裝置設計比較合理，大多采用了隔氣層，再加上2#裝置的管線布局合理，空間較大，通風性比較好，所以現場1#裝置的設備保冷效果不如2#裝置。

1.1.2 保冷厚度設計問題

眾所周知導熱系數是保冷材料質量的極其關鍵的技術指標。如果其導熱系數達不到產品指標規定的要求，那么它根據導熱系數得到的保冷厚度也得不到保障。

2009年3月份，公司對化工2#裂解裝置的冷箱部分管線檢測發現有位于2#裂解裝置東面的、與冷箱連接的28 個管段(節)的工藝管線中，只有8 個管段(即位號為P-B4004、P-B5041、P-B4005、P-B8041東、P-B8041西、RT-B6069 東、RT-B 6069西和RT-B 6025的管段)的保冷結構的表面防凝露要求和表面冷損失量是同時合格的；還有4 個管段(即P-B4023、4005、RT-B6052西和RT-B6025西等管段)的保冷結構的表面防凝露是合格的，但其表面冷損失量是不合格的；其余管段的表面防凝露要求及其的表面冷損失量均是不合格的。初步分析是管線的保冷老化失效或是保冷的厚度不足，導致冷量損失過多。而后檢測發現保冷材料的導熱系數高于原有設計時的導熱系數，最后決定整體把原有管線的保冷厚度加厚，復測合格。

1.2 保冷選材問題

對于保冷材料，首先要滿足導熱系數小、機械強度高、化學性能穩定、綜合經濟效益低、施工方便等要求。而一些條件是必不可少的，比如：吸水吸濕性小、水蒸氣透濕系數小、低溫線膨脹系數小、含氧量高、阻燃性好等等，這些都是保冷材料選取的參考。對于保冷的三層結構，一般用的最多的保冷層選用的是泡沫玻璃，防潮層采用的是黑色阻燃瑪蹄脂，外保護層采用鋁皮。本裝置區內采用的也是這種材料，總體上滿足保冷需要，但部分上的保冷還是存在不足。

2009年6月22日和2009年6月25日車間對2#壓縮冷箱的4條管線的保冷狀況進行現場調查、觀察、檢查，并對其保冷的檢測。結果這四條保冷管線檢測不合格，后采用新型的保冷材料—福樂斯，進行觀察、檢測，比較。

(1)改造前后實際表面的冷損失量

如P-B4017管段(管徑6”，原有的保冷結構是170 mm厚的泡沫玻璃，新的保冷結構為125 mm厚的福樂斯彈性體保冷系統，管道年運時間為8000 h，采用福樂斯低溫彈性體材料對原有的保冷結構進行改造的費用按10000元/m3),根據GB50264-2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》中5.4.2-1規定[4]，按1 m管線每年運行8000 h計算如下：

Q改造前表面冷損失=39.89×3.14×(0.17×2+0.159)×8000×3.6×10-6=1.8 GJ/m

(1)

Q改造后表面冷損失=15.45×3.14×(0.125×2+0.159)×8000×3.6×10-6=0.57 GJ/m

(2)

可以節約的能耗為：ΔQ= Q改造前表面冷損失- Q改造后表面冷損失=1.8-0.57=1.23 GJ/m

(3)

冷價按200元/GJ計算：F=1.23×200=246元/m

(4)

每1 m投入的保冷材料(福樂斯)工程量為：

V=[(0.159/2+0.125)2×3.14-(0.159/2)2×3.14]×1=0.1115 m3

(6)

福樂斯材料按10000元/m3計算，每米管線的投入費用F’=0.1115×10000=1115元，投資回收期n=1115/246=4.5325年

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(2)按設計工況下的冷損失量的超標值計算

P-B4017管線的管徑為6”，介質溫度為設計值-145 ℃(操作值-129 ℃)，原有保冷層厚度為170 mm，換算到設計工況下的表面冷損失量的超標值為22.17 w/m3。采用新型保冷材料對原結構進行改造時的保冷層厚度為125 mm，改造新材料福樂斯的費用單價為10000元/m3，則有：

每米管長每年的節能收益=22.17×(0.159+2×0.17)×3.142×8000=273060(w)

(7)

參照廣州隆鵬節能材料有限公司資料，按照1 w=3.6 kj,1 GJ=200元，則每米管長每年的節能收益為：

273060×3.6×10-6×200=196.6元

①如果全部更新管線，每米管線的節能改造費用=[(0.159+2×0.125)/2]2-[0.159/2]2×1×3.14×10000=1115元。不計銀行利息，其節能改造的回收期也要6年(1115/196.6=5.67)。

②如果局部加強(厚度)，如果冷損失量≤20 w/m2的保冷結構采用25 mm；冷損失量>20 w/m2的保冷厚度采用50 mm，則改造費為：

當厚度為50 mm時的改造費用為：F2=[(0.159/2+0.17+0.05)2-(0.159/2+0.17)2]×3.14×1×10000=274.5元

基于上述情況的討論，可以肯定的是新型材料的保冷效果好于原有的保冷材料，然而新型的保冷材料的市場價格過高，所以對于有些結構進行適當的結構改造，取得更大的效益。基于此，車間對于2#冷箱的保冷材料采取部分改造，減小冷量損失，取得生產效益的最大化。

1.3 保冷施工安裝問題

施工隊伍的素質和施工質量關系重大，保冷施工往往存在的問題：保冷材料縫隙太大，許多縫隙超過5 mm、搭接不錯縫、零部件保冷空缺太多、防潮層厚度不夠、外部保護層的銜接壓縫不緊等[5]。

2013年12月2#壓縮裝置三元制冷壓縮機CB-401出入口管線保冷更新施工中，施工隊伍不按要求施工，本來計劃一個月的工作量，提前10天完成，后公司檢驗檢查發現保冷材料緊固松散，外層保護鋁皮更是銜接縫隙過大。這種施工后的結果就是保溫材料根本不能有效起到保冷的效果。

1.4 管理問題

裝置區內的日常管理工作主要是由車間管理人員負責。因為裝置區有1#裝置和2#裝置，整個區域過大，而負責管理人員比較少，這就導致有些工作不能按時完成或者忽略有些地方，造成了管理缺失，從而導致了一系列的后果。

例如圖2中1#裝置的V-690故障的原因就是管線保冷失效，而管線的位置在高處，因此未能經常性的檢查管理。垂直向上管段保冷拆開后，只有防潮層+聚氨酯發泡保冷料，而且垂直管段的發泡料里面有明顯的水分存在，管線表面的防腐漆已消失殆盡，管線的金屬本體更是呈粉化脫落的均勻腐蝕狀態，部分已經是減薄穿孔。其中管線腐蝕的原因就是保冷層的保冷效果下降，管線鋁板溫度低于環境的露點溫度時，空氣中的水蒸汽結露變成同溫度下的液態水，液態水穿越了緩慢失效的防潮程進入到聚氨酯發泡保冷材料中，因工藝溫度為7攝氏度，故沒有形成結冰而是處于純液相狀態，在液相狀態下水和溶解氧將金屬涂層慢慢腐蝕，最終造成了管線腐蝕失效，發生穿孔泄漏的事故。

圖2 V690腐蝕管線Fig.2 V690 corrosive pipeline

正是日常保冷管理工作的不到位，在施工階段未能有效監控施工質量，缺少對隱蔽處的隱患排查的意識，導致一些問題沒有及時發現并解決，產生了一系列的嚴重后果。

1.5 自然原因

茂名石化處于亞熱帶地區，常年高溫多雨，每年的臺風次數較多，而且裝置內的形成酸雨的可能性大，這就導致裝置冷區內的保冷結構不同程度上的遭到破壞，同時設備也受到酸腐蝕及電化學腐蝕的影響。由于自然因素的不可抗拒性，設計的一些結構可能會發生改變，這就導致保冷失效的可能性。這種情況下，唯有在日常管理上認真負責，才能及時有效的解決問題。

2 結 語

保冷工作不同于保溫，在結構設計上要求合理；在選材上要求科學周密；在施工方面嚴格規范；在日常管理上要求精細化。唯此，才能從根本上保證保冷工程的質量，最大限度的減少冷損失量，保證企業的經濟收益。